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课程名称：工程水力学

2013～2014学年《工程水力学》结课论文

我国目前高坝泄洪消能设计的主要形式

1.引言

泄洪消能是高坝建设中非常突出的关键性技术问题，根据实际工程资料统计，其造价

约为总造价的40%到50%，因此合理的选择泄水建筑物的型式及消能设施是关系到整个水利

水电工程安全与经济的重要问题。目前常用的消能形式大概可概括为：底流消能、戽流消

能、挑流消能、坝顶跌流水垫塘消能、大差动对冲消能、窄缝挑流消能、宽尾墩底流消能、

压力洞内消能、分流墩底流消能、台阶式坝面消能以及一些组合式消能工。

2.国内外主要的消能工形式介绍

2.1挑流式消能工

挑流式消能工是在泄水建筑物的末端采用鼻坎将泻出的高速水流导向离建筑物较远的

下游位置，使水流的能量在下游水垫和空中消能。由于挑流式消能工一般不需要在下游河

床修建保护工程，因而工程量小，节省投资；同时设计施工简便，运行也可靠，因此在国

内外得到了广泛的应用。

2.1.1关于挑流式消能工的挑距问题

实践表明，无论是挑坎末端到下游水面的水平射距还是到最大冲深点的水平射距，按

照抛射体理论计算值与实测值都存在一定差异，其原因一般认为有以下几个方面：

首先抛射体理论假定挑坎的流速分布是均匀的，而实际上水舌并非一个质点，其垂直

分布也并非均匀。其次，坝面流速系数φ对射距的影响较大，而影响φ的因素很多，目前

还难以由理论求解，只能凭经验选定。再次，坎唇高度（即反弧段最低点到挑坎顶的高度）

是否足以使水流按照要求转向挑出，对射距也有一定的影响。最后，挑流水舌在下游水垫

内的淹没射流扩散规律比较复杂，目前还没有准确的计算方法可循。鉴于上述的特点，为

了尽可能获得接近实际的射距计算公式，国内外许多学者从经验方法入手，提出来一些估

算式如下：

当下游水位与坎顶高程相同或者接近的情况下，θ为45度时射距最大，这是符合抛射

理论的，同时低挑坎选择较大挑角就是这个原因。而当下游水位与坎顶高程相差较大的情

况下，最优挑角的选定与相对坎高及流速系数或挑流系数有关，有些研究[1]试验认为考虑

了射距与冲坑深度两因素后，最优挑角为10度到15度，并认为小挑角不仅对工程的结构

设计有利，而且可减少鼻坎处的起挑流量；还有一些研究[2]通过优选法确定连续挑坎的最

优挑角为14度到17度，因此关于最优挑角的问题，还应进一步考虑功能多因素进行深入

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2013～2014学年《工程水力学》结课论文

研究。

2.1.2反弧段水流坦化与流速系数突然降低的条件

对于具有挑流鼻坎的溢流坝，当来流与反弧段体形配合不当时，就会出现反弧段最低

点水深突然增大，而流速系数降低的现象，这种现象称为流线坦化。对于反弧段的水流流

线，除重作用影响外，离心力效应还是一个重要的影响因素，因此反弧半径的影响就不宜

忽略。基于上述分析，有学者根据大量试验资料建议挑流鼻坎最低点水深突然增大，流速

系数突然降低的临界条件为R=3.771q/，式中Z为挑坎以上水头

2.1.3反弧半径R

对挑流鼻坎的临界反弧半径研究，通过对反弧段水力特性的分析表明，当反弧半径减

小到某一临界值时，反弧水深突然加大，流速系数突然减小。对于高坝挑流鼻坎反弧半径

的临界条件，大多数研究的结论是一致的，一般R/H≥4~5，而对于低水头泄水构筑物，已

有研究表明，不能用上述临界条件限制，仍需进一步研究。计算反弧半径的方法一般按照

大量资料建议选R/H=0.225Fr2

2.1.4空气阻力对于射距的影响问题

根据自由抛射体理论推导出来的射距公式并未计入水舌在空气中的掺气及空气阻力对

射距的影响。而实际上这种影响是很明显的，并使水舌的运动轨迹偏离抛物线。空气阻力

对挑距的影响，在计算中有两种处理方法，一种是在抛射体公式中引入空气阻力系数，而

另一种则是设法获得理论挑距和实测资料之比，从而得到修正系数。研究还表明，当挑坎

挑角增大时，挑流的历程增加，空气对水舌的阻力也增加，从而使射距减少，这个转折点

约发生在θ为35度时，也就是说此时的掺气水流的水平射距最远。

2.1.5挑流的冲刷机理

由于水舌在空中抛射过程中所消杀的能量不过是水流总能量的10%~20%，在除去建筑

物段的能量损